CN108661840B - 混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，包括以下步骤：a、截出叶片翼型，确定叶片出口边修型区域；b、修型后叶片背面型线与修型前叶片背面型线通过圆弧过渡，半径R为修型前叶片出口边厚度t1的4‑7倍；c、确定叶片出口边修型最终几何尺寸；d、确定子母样板和叶片背面圆弧样板尺寸并一体加工；e、在叶片出口边上划线，确定修型后叶片出口背压边最终位置；f、调整叶片出口边角度直至满足子母样板尺寸；g、修磨叶片背面圆弧，直到满足叶片背面圆弧样板尺寸。本发明能预防或消除因转轮出口卡门涡街诱发的叶片水力弹性共振所产生的水轮机啸声和叶片裂纹，提高混流式水轮机转轮的结构整体性和水轮机的运行安全性。

Description

混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法
技术领域
本发明涉及到水轮机领域，尤其涉及一种混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法。
背景技术
在混流式水轮机所有流动致振问题中，因转轮叶片出口卡门涡街诱发的共振是一种破坏力极强的水力弹性振动。这种共振一旦出现，水轮机运行时会出现啸声，并在很短时间内引起转轮叶片大面积裂纹。由混流式水轮机转轮叶片出口卡门涡街诱发的共振通常出现在转轮具有高流速的运行区，即通常出现在混流式水轮机的高负荷运行区。此外，啸声的频率高，且啸声的频率随着水轮机负荷的增加而增大。因此，在实际工程中，准确识别这种共振现象并不困难。
引起共振的根本原因是转轮叶片出口卡门涡街的频率与转轮叶片在水下的固有频率重合或相近。
混流式水轮机转轮叶片出口卡门涡街的频率可以用下列公式计算：
Figure BDA0001639043240000011
式中，fk为卡门涡街频率，单位Hz；S为斯特鲁哈数，它与雷诺数有关，在反击式水轮机中，S＝0.18-0.24；W为叶片边界层外的相对速度，单位m/s；t为脱流的尾迹宽度，单位m，该尾迹宽度为叶片出口边厚度、叶片正面边界层厚度、叶片背面边界层厚度三者之和。就目前的技术而言，虽然通过转轮叶片流体动力学分析可以准确给出叶片边界层外的相对速度W，但要准确计算叶片出口边脱流的尾迹宽度t仍有难度。其次，由于斯特鲁哈数S与雷诺数相关，针对水轮机转轮叶片出口卡门涡街频率的计算，斯特鲁哈数S仍只能采用实验室对平板或圆柱等绕流体的实验结果，是一个经验值。因此，在转轮叶片设计阶段仍然无法准确计算出转轮叶片出口卡门涡街的频率。
此外，就目前的技术而言，转轮叶片在水下的固有频率还难于通过模态分析准确地定量确定，这也为错开卡门涡街频率与转轮叶片水下固有频率带来新的难度。因此，目前的情况是，只有在混流式水轮机投入运行后被确认确实出现了转轮叶片出口卡门涡街诱发共振时，才能被动的进行补救。
处理该共振问题最有效的方法是通过修型叶片出口边型线来提高混流式水轮机转轮叶片出口卡门涡街的泄出频率，以便与转轮叶片的水下固有频率错开。提高转轮叶片出口卡门涡街泄出频率的另一个好处是，卡门涡街频率一旦提高，涡街能量将减弱，能量小的涡街很难激起共振。
公开号为CN 97143455A，公开日为2017年09月08日的中国专利文献公开了一种减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法，其特征在于，包括对混流式水泵水轮机所做的以下两方面的优化：1)将混流式水泵水轮机转轮高压侧叶片倾斜布置，使叶片的进水边骨线与轴线方向的夹角Φ不小于15°；2)在保证混流式水泵水轮机转轮及其叶片刚强度要求的基础上再增加2～3个叶片，其目的是减小转轮高压侧叶道间距，以缩小脱流漩涡的发展空间。
该专利文献公开的减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法，是在无叶区压力脉动产生原因的基础上提出的，仅能够减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动的危害，不能预防或消除因转轮出口卡门涡街诱发叶片水力弹性共振所产生的水轮机啸声和转轮叶片裂纹。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，本发明通过对混流式水轮机转轮叶片出口边背面型线进行修型，能够有效预防或消除因转轮出口卡门涡街诱发的叶片水力弹性共振所产生的水轮机啸声和转轮叶片裂纹，从而提高混流式水轮机转轮的结构整体性和水轮机的运行安全性。
本发明通过下述技术方案实现：
混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、截出叶片翼型，确定叶片出口边的修型区域，叶片出口边包括一体成型的上段、中段和下段，上段和下段的长度均为L1，L1为转轮标称直径的3-4％，中段为修型区，上段和下段为非修型区，修型区和非修型区之间光滑过渡，修型前叶片出口边厚度为t1；
b、修型后叶片出口边厚度为t2，修型后叶片出口边厚度是修型前叶片出口边厚度t1的0.4-0.5倍；叶片正面型线与修型后叶片背面型线中的直线段之间的夹角θ为20-25°；修型后叶片背面型线与修型前叶片背面型线通过圆弧过渡，圆弧的半径R为修型前叶片出口边厚度t1的4-7倍；
c、根据叶片翼型、修型前叶片出口边厚度t1、修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线与修型后叶片背面型线中的直线段之间的夹角θ和圆弧的半径R来确定叶片出口边修型的最终几何尺寸，并定出圆弧与修型前叶片背面型线的切点至叶片出口边的距离L2；
d、根据修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线与修型后叶片背面型线中的直线段之间的夹角θ、圆弧的半径R和圆弧与修型前叶片背面型线的切点至叶片出口边的距离L2，确定子母样板和叶片背面圆弧样板的尺寸，并一体成型加工制造；
e、根据L1的值在修型前叶片出口背压边上划出修型区的两个端点，根据修型后叶片出口边厚度t2，在叶片出口边上划线，确定修型后叶片出口背压边的最终位置；
f、从叶片背面打磨叶片出口边，通过子母样板和划线调整叶片出口边的角度直至满足子母样板的尺寸；
g、修磨叶片背面圆弧，直到满足叶片背面圆弧样板尺寸。
所述步骤a中，转轮包括上冠、下环和固定于上冠与下环之间的多个叶片，叶片为空间扭曲曲面状，任意两个叶片几何尺寸相同，多个叶片沿转轮圆周方向均匀布置，叶片包括一体成型的叶片本体和叶片出口边，叶片出口边包括叶片出口正压边和修型前叶片出口背压边。
所述步骤a中，截出叶片翼型是指沿垂直于叶片出口边1的断面截出一段叶片翼型，叶片翼型的几何尺寸由叶片正面一系列离散点坐标(Xp，Yp)和叶片背面一系列离散点坐标(Xs，Ys)确定。
所述步骤f中，子母样板包括一体成型的母样板和子样板，当打磨后的叶片出口边与母样板完全嵌合且与子样板不能嵌合时，判定修型后几何尺寸符合要求。
本发明的有益效果是：
本发明，叶片出口边包括一体成型的上段、中段和下段，上段和下段的长度均为L1，L1为转轮标称直径的3-4％，中段为修型区，叶片出口边与上冠以及叶片出口边与下环交接区通常为高应力区，上段和下段为非修型区，能够保障叶片在交接区的机械强度，避免叶片裂纹产生；叶片出口边与上冠以及叶片出口边与下环焊接时或多或少存在焊接残余应力，在该交接区存在热影响区，上段和下段为非修型区，能够保障该区域叶片的疲劳强度；从叶片背面打磨叶片出口边，通过子母样板和划线调整叶片出口边的角度直至满足子母样板的尺寸；修磨叶片背面圆弧，直到满足叶片背面圆弧样板尺寸；这种修型方式简化了修型工艺，人工工作量小，修型时间短；通过步骤a-g，对混流式水轮机转轮叶片出口边背面型线进行修型，整个修型区域仅局限在叶片出口边背面很小的区域，是局部的，因此对混流式水轮机的效率、空化等水力性能没有任何影响，也不会对转轮的机械性能产生影响；修型后，能够提高混流式水轮机转轮叶片出口卡门涡街的泄出频率，以便与转轮叶片的水下固有频率错开；且提高转轮叶片出口卡门涡街泄出频率后，卡门涡街能量将减弱，能量小的卡门涡街很难激起共振，进而能够有效预防或消除因转轮出口卡门涡街诱发的叶片水力弹性共振所产生的水轮机啸声和转轮叶片裂纹，从而提高混流式水轮机转轮的结构整体性和水轮机的运行安全性。
附图说明
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：
图1为混流式水轮机转轮轴面图；
图2为修型前垂直于叶片出口边断面上的叶片翼型示意图；
图3为修型后的叶片出口边的几何尺寸示意图；
图4为叶片出口边修型检查样板结构示意图；
图5为混流式水轮机转轮叶片出口边划线图；
图6为一中低水头混流式水轮机转轮叶片出口边修型前叶片出口卡门涡街的模型试验观察结果图；
图7为一中低水头混流式水轮机转轮叶片出口边修型后叶片出口卡门涡街的模型试验观察结果图；
图中标记：1、叶片出口边，2、叶片正面型线，3、修型后叶片背面型线，4、修型前叶片背面型线，5、修型前叶片出口背压边，6、修型后叶片出口背压边，7、上冠，8、下环，9、叶片本体，10、叶片出口正压边，11、母样板，12、子样板，13、叶片背面圆弧样板。
具体实施方式
实施例1
混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，包括以下步骤：
a、截出叶片翼型，确定叶片出口边1的修型区域，叶片出口边1包括一体成型的上段、中段和下段，上段和下段的长度均为L1，L1为转轮标称直径的3％，中段为修型区，上段和下段为非修型区，修型区和非修型区之间光滑过渡，修型前叶片出口边厚度为t1；
b、修型后叶片出口边厚度为t2，修型后叶片出口边厚度是修型前叶片出口边厚度t1的0.4倍；叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ为20°；修型后叶片背面型线3与修型前叶片背面型线4通过圆弧过渡，圆弧的半径R为修型前叶片出口边厚度t1的4倍；
c、根据叶片翼型、修型前叶片出口边厚度t1、修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ和圆弧的半径R来确定叶片出口边1修型的最终几何尺寸，并定出圆弧与修型前叶片背面型线4的切点至叶片出口边1的距离L2；
d、根据修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ、圆弧的半径R和圆弧与修型前叶片背面型线4的切点至叶片出口边1的距离L2，确定母样板11、子样板12和叶片背面圆弧样板13的尺寸，并一体成型加工制造；
e、根据L1的值在修型前叶片出口背压边5上划出修型区的两个端点，根据修型后叶片出口边厚度t2，在叶片出口边1上划线，确定修型后叶片出口背压边6的最终位置；
f、从叶片背面打磨叶片出口边1，通过子母样板和划线调整叶片出口边1的角度直至满足子母样板的尺寸；
g、修磨叶片背面圆弧，直到满足叶片背面圆弧样板13的尺寸。
实施例2
混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，包括以下步骤：
a、截出叶片翼型，确定叶片出口边1的修型区域，叶片出口边1包括一体成型的上段、中段和下段，上段和下段的长度均为L1，L1为转轮标称直径的3.5％，中段为修型区，上段和下段为非修型区，修型区和非修型区之间光滑过渡，修型前叶片出口边厚度为t1；
b、修型后叶片出口边厚度为t2，修型后叶片出口边厚度是修型前叶片出口边厚度t1的0.45倍；叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ为23°；修型后叶片背面型线3与修型前叶片背面型线4通过圆弧过渡，圆弧的半径R为修型前叶片出口边厚度t1的5倍；
c、根据叶片翼型、修型前叶片出口边厚度t1、修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ和圆弧的半径R来确定叶片出口边1修型的最终几何尺寸，并定出圆弧与修型前叶片背面型线4的切点至叶片出口边1的距离L2；
d、根据修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ、圆弧的半径R和圆弧与修型前叶片背面型线4的切点至叶片出口边1的距离L2，确定母样板11、子样板12和叶片背面圆弧样板13的尺寸，并一体成型加工制造；
e、根据L1的值在修型前叶片出口背压边5上划出修型区的两个端点，根据修型后叶片出口边厚度t2，在叶片出口边1上划线，确定修型后叶片出口背压边6的最终位置；
f、从叶片背面打磨叶片出口边1，通过子母样板和划线调整叶片出口边1的角度直至满足子母样板的尺寸；
g、修磨叶片背面圆弧，直到满足叶片背面圆弧样板13的尺寸。
所述步骤a中，转轮包括上冠7、下环8和固定于上冠7与下环8之间的多个叶片，叶片为空间扭曲曲面状，任意两个叶片几何尺寸相同，多个叶片沿转轮圆周方向均匀布置，叶片包括一体成型的叶片本体9和叶片出口边1，叶片出口边1包括叶片出口正压边10和修型前叶片出口背压边5。
实施例3
混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，包括以下步骤：
a、截出叶片翼型，确定叶片出口边1的修型区域，叶片出口边1包括一体成型的上段、中段和下段，上段和下段的长度均为L1，L1为转轮标称直径的4％，中段为修型区，上段和下段为非修型区，修型区和非修型区之间光滑过渡，修型前叶片出口边厚度为t1；
b、修型后叶片出口边厚度为t2，修型后叶片出口边厚度是修型前叶片出口边厚度t1的0.5倍；叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ为25°；修型后叶片背面型线3与修型前叶片背面型线4通过圆弧过渡，圆弧的半径R为修型前叶片出口边厚度t1的7倍；
c、根据叶片翼型、修型前叶片出口边厚度t1、修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ和圆弧的半径R来确定叶片出口边1修型的最终几何尺寸，并定出圆弧与修型前叶片背面型线4的切点至叶片出口边1的距离L2；
d、根据修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ、圆弧的半径R和圆弧与修型前叶片背面型线4的切点至叶片出口边1的距离L2，确定母样板11、子样板12和叶片背面圆弧样板13的尺寸，并一体成型加工制造；
e、根据L1的值在修型前叶片出口背压边5上划出修型区的两个端点，根据修型后叶片出口边厚度t2，在叶片出口边1上划线，确定修型后叶片出口背压边6的最终位置；
f、从叶片背面打磨叶片出口边1，通过子母样板和划线调整叶片出口边1的角度直至满足子母样板的尺寸；
g、修磨叶片背面圆弧，直到满足叶片背面圆弧样板13的尺寸。
所述步骤a中，转轮包括上冠7、下环8和固定于上冠7与下环8之间的多个叶片，叶片为空间扭曲曲面状，任意两个叶片几何尺寸相同，多个叶片沿转轮圆周方向均匀布置，叶片包括一体成型的叶片本体9和叶片出口边1，叶片出口边1包括叶片出口正压边10和修型前叶片出口背压边5。
所述步骤a中，截出叶片翼型是指沿垂直于叶片出口边1的断面截出一段叶片翼型，叶片翼型的几何尺寸由叶片正面一系列离散点坐标(Xp，Yp)和叶片背面一系列离散点坐标(Xs，Ys)确定。
实施例4
混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，包括以下步骤：
a、截出叶片翼型，确定叶片出口边1的修型区域，叶片出口边1包括一体成型的上段、中段和下段，上段和下段的长度均为L1，L1为转轮标称直径的4％，中段为修型区，上段和下段为非修型区，修型区和非修型区之间光滑过渡，修型前叶片出口边厚度为t1；
b、修型后叶片出口边厚度为t2，修型后叶片出口边厚度是修型前叶片出口边厚度t1的0.5倍；叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ为25°；修型后叶片背面型线3与修型前叶片背面型线4通过圆弧过渡，圆弧的半径R为修型前叶片出口边厚度t1的7倍；
c、根据叶片翼型、修型前叶片出口边厚度t1、修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ和圆弧的半径R来确定叶片出口边1修型的最终几何尺寸，并定出圆弧与修型前叶片背面型线4的切点至叶片出口边1的距离L2；
d、根据修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线2与修型后叶片背面型线3中的直线段之间的夹角θ、圆弧的半径R和圆弧与修型前叶片背面型线4的切点至叶片出口边1的距离L2，确定母样板11、子样板12和叶片背面圆弧样板13的尺寸，并一体成型加工制造；
e、根据L1的值在修型前叶片出口背压边5上划出修型区的两个端点，根据修型后叶片出口边厚度t2，在叶片出口边1上划线，确定修型后叶片出口背压边6的最终位置；
f、从叶片背面打磨叶片出口边1，通过子母样板和划线调整叶片出口边1的角度直至满足子母样板的尺寸；
g、修磨叶片背面圆弧，直到满足叶片背面圆弧样板13的尺寸。
所述步骤a中，转轮包括上冠7、下环8和固定于上冠7与下环8之间的多个叶片，叶片为空间扭曲曲面状，任意两个叶片几何尺寸相同，多个叶片沿转轮圆周方向均匀布置，叶片包括一体成型的叶片本体9和叶片出口边1，叶片出口边1包括叶片出口正压边10和修型前叶片出口背压边5。
所述步骤a中，截出叶片翼型是指沿垂直于叶片出口边1的断面截出一段叶片翼型，叶片翼型的几何尺寸由叶片正面一系列离散点坐标(Xp，Yp)和叶片背面一系列离散点坐标(Xs，Ys)确定。
所述步骤f中，子母样板包括一体成型的母样板11和子样板12，当打磨后的叶片出口边1与母样板11完全嵌合且与子样板12不能嵌合时，判定修型后几何尺寸符合要求。
叶片出口边包括一体成型的上段、中段和下段，上段和下段的长度均为L1，L1为转轮标称直径的3-4％，中段为修型区，叶片出口边与上冠以及叶片出口边与下环交接区通常为高应力区，上段和下段为非修型区，能够保障叶片在交接区的机械强度，避免叶片裂纹产生；叶片出口边与上冠以及叶片出口边与下环焊接时或多或少存在焊接残余应力，在该交接区存在热影响区，上段和下段为非修型区，能够保障该区域叶片的疲劳强度；从叶片背面打磨叶片出口边，通过子母样板和划线调整叶片出口边的角度直至满足子母样板的尺寸；修磨叶片背面圆弧，直到满足叶片背面圆弧样板尺寸，这种修型方式简化了修型工艺，人工工作量小，修型时间短；通过步骤a-g，对混流式水轮机转轮叶片出口边背面型线进行修型，整个修型区域仅局限在叶片出口边背面很小的区域，是局部的，因此对混流式水轮机的效率、空化等水力性能没有任何影响，也不会对转轮的机械性能产生影响；修型后，能够提高混流式水轮机转轮叶片出口卡门涡街的泄出频率，以便与转轮叶片的水下固有频率错开；且提高转轮叶片出口卡门涡街泄出频率后，卡门涡街能量将减弱，能量小的卡门涡街很难激起共振，进而能够有效预防或消除因转轮出口卡门涡街诱发的叶片水力弹性共振所产生的水轮机啸声和转轮叶片裂纹，从而提高混流式水轮机转轮的结构整体性和水轮机的运行安全性。
图4为叶片出口边修型检查样板结构示意图，图中R和t2的后缀为公差，单位为毫米。
图6为一中低水头混流式水轮机转轮叶片出口边修型前叶片出口卡门涡街的模型试验观察结果图；图7为一中低水头混流式水轮机转轮叶片出口边修型后叶片出口卡门涡街的模型试验观察结果图；修型方案中，t2＝0.43t1，θ＝25°，R＝4.6t1。从图6和图7的对比可以看出，叶片出口边修型后，完全消除了转轮叶片出口的可见卡门涡街，效果显著。

Claims (4)

1.混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、截出叶片翼型，确定叶片出口边(1)的修型区域，叶片出口边(1)包括一体成型的上段、中段和下段，上段和下段的长度均为L1，L1为转轮标称直径的3-4％，中段为修型区，上段和下段为非修型区，修型区和非修型区之间光滑过渡，修型前叶片出口边厚度为t1；
b、修型后叶片出口边厚度为t2，修型后叶片出口边厚度是修型前叶片出口边厚度t1的0.4-0.5倍；叶片正面型线(2)与修型后叶片背面型线(3)中的直线段之间的夹角θ为20-25°；修型后叶片背面型线(3)与修型前叶片背面型线(4)通过圆弧过渡，圆弧的半径R为修型前叶片出口边厚度t1的4-7倍；
c、根据叶片翼型、修型前叶片出口边厚度t1、修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线(2)与修型后叶片背面型线(3)中的直线段之间的夹角θ和圆弧的半径R来确定叶片出口边(1)修型的最终几何尺寸，并定出圆弧与修型前叶片背面型线(4)的切点至叶片出口边(1)的距离L2；
d、根据修型后叶片出口边厚度t2、叶片正面型线(2)与修型后叶片背面型线(3)中的直线段之间的夹角θ、圆弧的半径R和圆弧与修型前叶片背面型线(4)的切点至叶片出口边(1)的距离L2，确定母样板(11)、子样板(12)和叶片背面圆弧样板(13)的尺寸，并一体成型加工制造；
e、根据L1的值在修型前叶片出口背压边(5)上划出修型区的两个端点，根据修型后叶片出口边厚度t2，在叶片出口边(1)上划线，确定修型后叶片出口背压边(6)的最终位置；
f、从叶片背面打磨叶片出口边(1)，通过子母样板和划线调整叶片出口边(1)的角度直至满足子母样板的尺寸；
g、修磨叶片背面圆弧，直到满足叶片背面圆弧样板(13)的尺寸。
2.根据权利要求1所述的混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，其特征在于：所述步骤a中，转轮包括上冠(7)、下环(8)和固定于上冠(7)与下环(8)之间的多个叶片，叶片为空间扭曲曲面状，任意两个叶片几何尺寸相同，多个叶片沿转轮圆周方向均匀布置，叶片包括一体成型的叶片本体(9)和叶片出口边(1)，叶片出口边(1)包括叶片出口正压边(10)和修型前叶片出口背压边(5)。
3.根据权利要求1所述的混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，其特征在于：所述步骤a中，截出叶片翼型是指沿垂直于叶片出口边(1)的断面截出一段叶片翼型，叶片翼型的几何尺寸由叶片正面一系列离散点坐标(Xp，Yp)和叶片背面一系列离散点坐标(Xs，Ys)确定。
4.根据权利要求1所述的混流式水轮机转轮叶片出口边修型方法，其特征在于：所述步骤f中，子母样板包括一体成型的母样板(11)和子样板(12)，当打磨后的叶片出口边(1)与母样板(11)完全嵌合且与子样板(12)不能嵌合时，判定修型后几何尺寸符合要求。
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